56. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2014/2015 Kategória A celoštátne kolo Text experimentálnej úlohy. Fyzikálne vlastnosti RGB LED diódy

Transkript

1 56. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2014/2015 Kategória A celoštátne kolo Text experimentálnej úlohy Fyzikálne vlastnosti RGB LED diódy Úvod V súvislosti s hľadaním ekologicky priaznivých riešení je jedným zo základných opatrení hľadanie možností úspory energie. Na spotrebe energie ľudskej populácie sa výrazne podieľa osvetlenie. Presadzujú sa preto osvetľovacie prostriedky s vysokou svetelnou účinnosťou a nízkou spotrebou elektrickej energie. Moderným riešením sú osvetľovacie telesá využívajúce technológiu LED (Light Emitting Diode). V nasledujúcej tabuľke je uvedený elektrický príkon potrebný na získanie svetelného toku 500 lm. Osvetľovacie telesá LED žiarovka Kompaktná žiarivka Halogénová žiarovka Klasická žiarovka Príkon 5 W 10 W 35 W 50 W Z tabuľky vidno, že LED žiarovka je10 úspornejšia ako klasická žiarovka s žeraveným volfrámovým vláknom. Prvú použiteľnú červenú LED vyvinul roku 1962 kanadský fyzik Nick Holonyak na báze AlGaAs. Využitie na osvetľovanie umožnil až vynález modrej LED na báze GaN, ktorý sa uskutočnil v roku 1994 (I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura Nobelova cena v roku 2014). Vynález umožnil vytvorenie RGB LED, zostavy trojice diód vyžarujúcich červené (R-red), zelené (G green) a modré (B blue) svetlo. Zložením žiarenia troch farieb RGB s rovnakou intenzitou vzniká biele svetlo. Zmenou pomeru intenzity jednotlivých zložiek RGB sa dosahuje rôzne zafarbenie svetla. Polovodičový P N prechod Fyzikálny základ LED spočíva vo vlastnostiach polovodičového P N prechodu. Kvalitatívne vysvetlenie základných vlastností poskytuje pásmový model energetických hladín elektrónov. Zatiaľ, čo v izolovaných atómoch môžu elektróny v elektrónovom obale nadobúdať len určité diskrétne hodnoty energie (diskrétne energetické spektrum), pri usporiadaní atómov do kryštálu dochádza v dôsledku vzájomného pôsobenia atómov k rozštiepeniu diskrétnych energetických hladín na energetické pásma. Každé pásmo obsahuje 2N stavov, v ktorých sa môžu elektróny nachádzať (N je počet atómov v kryštále). Elektróny obsadzujú stavy od stavu s najnižšou energiou smerom nahor. Ak je najvyššie pásmo obsadené čiastočne, látka je elektricky vodivá a neprepúšťa svetlo. Takéto pásmo sa nazýva vodivostné. Ak je nad najvyšším obsadeným pásmom energetická medzera E g ( zakázané pásmo gap), ide o polovodič (ak E g < 3 ev) alebo izolant (ak E g > 3 ev). Čistý polovodič je pri nízkej teplote T 0 K elektricky nevodivý. Nenulová vodivosť vyžaduje prítomnosť pohyblivých elektrónov vo vodivostnom pásme (pásmo nad zakázaným pásmom) a/alebo 1

2 dier vo valenčnom pásme (pásmo pod zakázaným pásmom). Vznik párov elektrón diera sa dosiahne dodaním energie E E g, a to teplotnou excitáciou, žiarením a pod. Závislosť vodivosti od teploty využívajú termistory, od žiarenia fotorezistory. E = 0 (2) (1) elektrón prímesová hladina E Fd E g diera E Fa polovodič N polovodič P atóm kryštál prímesové polovodiče U PN + U PN U E F eu PN N P E F N P eu E F prechod P N U p Obr. A3E 1 Zvýšenie elektrickej vodivosti sa dosiahne pomocou prímesí. Donory vytvoria v kryštáli voľné elektróny, akceptory pohyblivé diery. Pre termodynamickú rovnováhu v ľubovoľnej sústave je dôležitá Fermiho energia, ktorá predstavuje chemický potenciál sústavy. V prípade nerovnováhy chemického potenciálu dochádza k difúzii, ktorá sa ukončí ustálením konštantnej hodnoty chemického potenciálu v celej sústave. V N polovodiči je Fermiho hladina tesne pod okrajom vodivostného pásma, v P polovodiči tesne nad okrajom valenčného pásma. Pri spojení polovodičov P a N dochádza k difúzii elektrónov z polovodiča N do polovodiča P a opačne k difúzii dier z P do N. V úzkej oblasti kontaktu dochádza k rekombinácii elektrónov a dier a vzniká nevodivá hradlová vrstva bez voľných nosičov náboja. V dôsledku difúzie sa N polovodič nabíja kladne a P polovodič záporne. Na hradlovej vrstve vzniká kontaktné napätie U PN, ktoré zodpovedá šírke zakázaného pásma U PN = E g /e. Fermiho hladinu možno posúvať vonkajším napätím U. Ak má napätie U opačnú polaritu ako U PN zmenšuje sa rozdiel hranice vodivostného pásma v oboch polovodičoch. To vedie postupne k nárastu prúdu cez priechod. Pre U > U PN je priechod vodivý a V A charakteristika sa stáva lineárnou. Ak predĺžime lineárnu časť až na os napätia, dostaneme tzv. prahové napätie U p, ktoré predstavuje približne otváracie napätie prechodu. Hodnota 2

3 U p je približne 0,7 U PN. Pri rekombinácii elektrónu a diery v oblasti prechodu pri prechode prúdu v priepustnom smere sa uvoľňuje energia eu, ktorá sa odovzdá kryštálickej mriežke (nežiarivé prechody) alebo sa vyžiari vo forme fotónu (elektroluminiscencia). Luminiscenčné diódy LED Pre aplikácie P N priechodu sa využívajú jednoduché polovodiče, napr. Si, Ge zo skupiny IV, alebo kompozitné z dvojice prvkov zo skupín III V (napr. GaAs, InSb, GaN) a II VI (napr. ZnS, CdS, ZnO). V P N prechodoch jednoduchých polovodičov prevládajú pri rekombinácii nežiarivé prechody, zatiaľ čo v kompozitných prevládajú žiarivé prechody. Kompozitné polovodiče sa preto používajú na výrobu LED. Ako bolo opísané, farba elektroluminiscencie je daná typom použitého polovodiča. Svetelná účinnosť niektorých farieb klasických LED je ale nižšia ako u ostatných farieb. V tom prípade sa využíva na vytvorenie svetla kombinácia primárnej elektroluminiscencie LED s vysokou účinnosťou a následnej sekundárnej fotoluminiscencie pomocou I vhodného luminoforu, ktorým sa vlnová dĺžka primárneho svetla transformuje na vlnovú dĺžku A požadovaného vyžarovaného svetla. Elektrické vlastnosti LED opisuje V A charakteristika, obr. A3E 2. Pri napätí v priepustnom K smere U << U p je prúd veľmi malý a prechod nevyžaruje. V blízkosti U p začína prúd narastať a prechod začína vyžarovať svetlo so základnou vlnovou dĺžkou. Pre U > U p prechod sa stáva vodivý a spektrum žiarenia sa posúva ku kratším vlnovým dĺžkam (napr. červená prechádza do oranžovej). U p Obr. A3E 2 U Hodnota prahového napätia U p sa určí pomocou predĺženia lineárnej časti charakteristiky na os napätia. Približne možno predpokladať, že pri napätí U p je energia emitovaných fotónov E f = e U p, čo zodpovedá vlnovej dĺžke svetla h c / E f, kde je h = 6, J s Planckova konštanta, e = 1, C elementárny náboj, c = 3, m s 1 rýchlosť svetla vo vákuu. RGB LED pozostáva z trojice diód, ktoré sú zdrojom troch základných farieb. Tieto diódy sú napájané osobitne, pričom sériové odpory vyvažujú nerovnomernosť svetelnej účinnosti diód, obr. A3E 3. Elektródy sú odlíšené dĺžkou prívodov, najdlhší je spoločný prívod K. Obr. A3E 3 3

4 Zadanie experimentálnej úlohy R 1 + S1 A1 A K A2 A3 S2 R 2 V Obr. A3E 3 K dispozícii máte merací panel podľa obr. A3E 3, v ktorom je zapojený ochranný sériový odpor R 1, spínač S1 na pripojenie zdroja, prepínač S2 riešený krokosvorkou, ktorú postupne presúvame na anódy A1, A2, A3 troch R G B LED; batéria s napätím 4,5 V, potenciometer R 2 na reguláciu napätia na dióde, svorky na pripojenie ampérmetra (rozsah 0-20 ma) a voltmetra (rozsah 4,5 V), dva meracie prístroje, spojovacie vodiče a 2 ks milimetrového papiera. Pozn.: V nevyhnutnom prípade môžete požiadať o informáciu prítomného pedagóga. Upozornenie: Pri zapojení elektrického obvodu dbajte na správnu polaritu spojenia zdroja napätia a jednotlivých prechodov P N diódy. Prekročenie medznej hodnoty anódového prúdu I Amax = 20 ma môže spôsobiť tepelné zničenie prechodu P N diódy. Pokiaľ nekonáte meranie, odporúčame prerušiť obvod spínačom S1 (šetrenie batérie). Riešenia vpisujte do priloženého dokumentu Zhrnutie výsledkov. Vaše riešenie bude hodnotené na základe výsledkov a odpovedí uvedených v Zhrnutí a grafov V - A charakteristík. Úlohy Ú 1: Zostavte elektrický obvod podľa schémy na obr. A3E 3. Spínač S1 môžete zapnúť až po kontrole zapojenia prítomným pedagógom. Ten potom vyznačí pridelenie bodovej hodnoty za úspešné splnenie tejto úlohy. Ú 2: K jednotlivým anódam A1, A2, A3 priraďte farby žiarenia. Ú 3: Vykonajte merania napätia U A a prúdu I A pre všetky P N prechody a zaznamenajte ich do tabuľky. Pozn.: Pri meraní venujte osobitnú pozornosť nelineárnej časti charakteristiky. Ú 4: Na priloženom milimetrovom papieri zostrojte v spoločnom grafe V A charakteristiky I A = f(u A ) všetkých troch P N prechodov. V grafe zostrojte priamky zodpovedajúce lineárnym častiam jednotlivých V A charakteristík a s presnosťou na 3 platné číslice určte hodnoty prahového napätia U p. Ú 5: S použitím získaných hodnôt U p určte pre každú V A charakteristiku hodnotu Planckovej konštanty, ak uvažujete vlnové dĺžky farieb emitovaných priechodmi R = 690 nm, G = 530 nm 4

5 a B = 440 nm. Pre každú získanú hodnotu určte relatívnu odchýlku (v percentách) od tabuľkovej hodnoty Planckovej konštanty. Ú 6: Na základe výsledkov predchádzajúcich úloh určte, ktorý z prechodov vyžaruje svetlo na základe primárnej elektroluminiscencie a ktorý na základe sekundárnej fotoluminiscencie. Odpoveď zdôvodnite. Ú 7: Puzdro diódy zatienite priloženou bužírkou a pre jednotlivé priechody RGB LED určte hodnoty napätia U A, pri ktorých vidíte, že prechod začína vyžarovať svetlo. Pre hodnoty prúdu I A 1,00 ma určte hodnoty napätia U A1. Zo získaných hodnôt určte pre jednotlivé farby zodpovedajúci tok fotónov dn/dt (počet fotónov za jednotku času), ak predpokladáte, že účinnosť premeny elektrického príkonu na svetlo je = 80 %. Ú 8: Vedecký, technický a ekonomický význam LED svetelnej techniky bol medzinárodným spoločenstvom ocenený aj tým, že rok 2015 bol označený za rok svetla. 5. marec 2015 je európskym dňom objavov použitím svetla v experimentoch. Uveďte tri, podľa vás najdôležitejšie, výhody a tri nevýhody svetelnej LED techniky 56. ročník Fyzikálnej olympiády Úlohy celoštátneho kola kategórie A Autori úloh: Kluvanec Daniel, Lacsný Boris Recenzia a úprava: Kluvanec Daniel, Mucha Ľubomír Redakcia: Čáp Ivo Slovenská komisia fyzikálnej olympiády Vydal: IUVENTA Slovenský inštitút mládeže, Bratislava

6 56. ročník Fyzikálnej olympiády Celoštátne kolo kategórie A experimentálna úloha Zhrnutie výsledkov Kód súťažiaceho:... Úloha 1: Hodnotenie zapojenia schémy... Úloha 2: Farba svetla jednotlivých prechodov Anóda A1:... Anóda A2:... Anóda A3:... Úloha 3: U A I A U A I A U A I A 6

7 U A I A U A I A U A I A 7

8 Úloha 4: Vložte graf na milimetrovom papieri. Hodnoty prahového napätia pre jednotlivé prechody: Farba žiarenia U p /V Úloha 5: Vzorový výpočet: Farba h i h i [%] Úloha 6: Odpoveď označte krížikom. Farba Elektroluminiscencia Fotoluminiscencia Zdôvodnenie: 8

9 Úloha 7: Farba žiarenia U A /V Vzorový výpočet toku fotónov: Farba U A1 /V I A 1,00 ma dn/dt Úloha 8: Výhody: Nevýhody: 9